chương 6 điện hóa học động học các quá trình điện cực

1.Một thanh đồng nhúng trong dung dịch sunfat đồng không có oxy hoà tan... Sự khác nhau giữa điện thế áp vào điện cực và điện thế cân bằng của điện cực được gọi là QUÁ THÊ

Chương 6- ĐIỆN HOÁ HỌC ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

6.1.ĐỘNG HỌC CÁC PHẢN ỨNG ĐIỆN HOÁ

6.1.1.Các định nghĩa

6.1.2.Tốc độ phản ứng

6.2.QUÁ THẾ-SỰ PHÂN CỰC

6.2.1.Sức điện động của pin

6.2.2.Tính chất nhiệt động của hệ pin

6.3.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

6.3.1.Điện phân

6.3.2 Ăn mòn điện hoá

1.CÁC ĐỊNH NGHĨA

* Một bình điện phân hay nguồn điện hoá học đều có hai điện cực (VẬT DẪN ELECTRON) hoặc một hoặc một số chất điện ly (VẬT DẪN ION) Trong cả hai trường hợp đều qui định:

CÁC ĐỊNH NGHĨA

*Anod là điện cực ở đó xảy ra phản ứng oxy hoá

*Catod là điện cực ở đó xảy ra phản ứng khử

*Dòng điện đi theo chiều từ cực dương đến cực âm

*Electron đi theo chiều từ cực âm đến cực dương

*Đối với pin: catod (cực dương) anod (cực âm)

*Đối với bình điện phân:catod (là cực nối với cực âm của

nguồn điện ngoài) anod (là cực nối với cưc dương của nguồn điện ngoài)

*ĐỐI VỚI PIN:

  Zn Zn / 2 / / Cu2 / Cu  

*Đồng nối với cực dương của nguồn điện (anod) xảy ra phản ứng oxi hóa

*Kẽm nối với cực âm của nguồn điện (catod) xảy ra phản khư

*ĐỐI VỚI BÌNH ĐiỆN PHÂN

*Đồng là cực dương (catod) xảy ra phản ứng khử:

*Kẽm là cực âm (anod) xảy ra phản ứng oxi hóa :

CÁC ĐỊNH NGHĨA

*Điện cực đơn : là một hệ gồm kim loại và chất điện ly mà trên bề mặt phân cách pha chỉ xảy ra chỉ có một phản ưng điện cực duy nhất.

CÁC ĐỊNH NGHĨA

*Điện cực bội : là một hệ gồm kim loại –chất điện ly mà trên bề mặt phân cách pha xảy ra nhiều phản ứng điện cực đồng thời

Ví dụ:Một thanh đồng nhúng trong dung dịch sunfat đồng, có oxy hoà tan trong môi trường axit nhẹ Trên bề mặt có các phản ứng xảy ra:

Re Re

1 1 1

Ox d

d d

e d d

dm v

a dt dm v

b dt

dm v

Xét phản ứng:

.

.

Re Re

1

1

.

e Ox Ox

e e

e

Ox

d d

dm v

dt dt

dm F i v

n dt F nF i

nF



V (mol/m 2 s) i: mật độ dòng điện, A/m 2

F:96.500coulomb

Re

q:điện lượng ;me: lượng electron

i:mật độ dòng điện (dòng điện trên một đơn vị tiết diện điện cực, A/m 2 )

Dòng điện i càng lớn thì tốc độ phản ứng điện hoá càng lớn

i  i  i i0 là mật độ dòng trao đổi

2.TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG ĐIỆN HOÁ

3.QÚA THẾ - SỰ PHÂN CỰC

*Điện cực đơn : là một hệ gồm kim loại và chất điện ly mà trên bề mặt phân cách pha chỉ xảy ra chỉ có một phản ưng điện cực duy nhất.

1.Một thanh đồng nhúng trong dung dịch sunfat đồng (không có oxy hoà tan) Trên bề mặt đồng chỉ xảy ra phản ứng duy nhất

2 /

Cu Cu Cu Cu

cb

Cu Cu cb

Cu Cu

RT

Cu nF

Áp đặt một điện thế bên ngoài :

Dòng oxi hóa – Dòng anod

Dòng khử - Dòng catod

Sự khác nhau giữa điện thế áp vào điện cực và điện thế cân bằng của điện cực được gọi là QUÁ THẾ , ký hiệu là

anod oxihoa catod khu



CÁC LOẠI QUÁ THẾ:

1 QUÁ THẾ KHUẾCH TÁN

Nếu các giai đoạn khác xảy ra nhanh hơn nhiều so với tốc độ vận chuyển chất thì sự khác biệt về thế điện cực so với điện cức cân bằng để làm xuất hiện dòng điện qua điện cực, gây ra quá thế đó là do hiệu ứng khuếch tán và quá thế đó được gọi là quá thế khuếch tán

3.QÚA THẾ - SỰ PHÂN CỰC



CÁC LOẠI QUÁ THẾ:

1 QUÁ THẾ HÓA HỌC (QUÁ THẾ PHẢN ỨNG)

Các phản ứng điện cực đều bao gồm một hay vài chuyển hóa hóa học thuần túy có thể xảy ra trước hay sau giai đoạn điện hóa Các chuyển hóa hóa học này không phụ thuộc vào điện thế điện cực song ảnh hưởng rất đáng kể đến động học của toàn bộ quá trình điện hóa.

Khái niệm QUÁ THẾ HÓA HỌC ứng với điều kiện:tốc độ của các giai đoạn thuần túy hóa học là nhỏ nhất, có vai trò quyết định đến vai trò quyết định của phản ứng điện hóa

3.QÚA THẾ - SỰ PHÂN CỰC



CÁC LOẠI QUÁ THẾ:

3 QUÁ THẾ CHUYỂN PHA

Quá thế gây ra do các cản trở liên quan đến sự tạo mầm và phát triển tinh thể trong quá trình điện phân.

Sự tạo mầm tinh thể, sự sắp xếp các tinh thể, sự phát triển bề mặt,…đều đòi hỏi năng lượng, do đó gây ra các qua 1the61 chuyển pha

3.QÚA THẾ - SỰ PHÂN CỰC



CÁC LOẠI QUÁ THẾ:

4 QUÁ THẾ ĐiỆN HÓA

Nếu phản ứng điện hóa hạn chế tốc độ của toàn bộ phản ứng điện cực thì sự chuyển dịch điện thế so với điện thế cân bằng của điện cực gọi là QUÁ THẾ PHÓNG ĐiỆN CHẬM, và ngày nay còn gọi là QUÁ THẾ CHUYỂN VẬN ĐiỆN TÍCH.

Sự chuyển đổi điện tích giữa các tiểu phân điện hóa luôn kèm theo sự biến đổi cấu trúc và bản chất của chúng Sự biến đổi này càng sâu sắc bao nhiêu thì càng đòi hỏi năng lượng lớn bấy nhiêu và tốc độ của gia đoạn điện hóa càng nhỏ bấy nhiêu, nghĩa là sẽ tạo ra QUÁ THẾ ĐiỆN HÓA

3.QÚA THẾ - SỰ PHÂN CỰC

E PU KT CP

QUÁ THẾ CỦA QUÁ TRÌNH ĐiỆN CỰC LÀ:

i:mật độ dòng điện; A và B là các hằng số

QUÁ THẾ PHỤ THUỘC VÀO VẬT LiỆU ĐiỆN CỰC, TRẠNG THÁI BỀ MẶT ĐiỆN CỰC, THÀNH PHẦN DUNG DỊCH ĐiỆN LY,…

PHƯƠNG TRÌNH TAFEL:

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĐIỆN PHÂN

Điện phân là quá trình thực hiện các phản ứng oxy hoá khử theo hướng ngược lại với hướng tự diễn biến nhiệt động học bằng năng lượng điện

Trong quá trình điện phân, lượng electron nhường từ anod bằng lượng electron nhận từ catod

Định luật Faraday

Lượng chất được hình thành ớ catod hoặc ở anod tỷ lệ với điện

lượng dùng để điện phân

.

i S t M m

nF



ĐIỆN PHÂN

Định luật Faraday

Lượng chất được hình thành ớ catod hoặc ở anod tỷ lệ với điện lượng dùng để điện phân

.

i S t M m

n:hệ số tỷ lượng trao đổi của electron

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĐIỆN PHÂN H 2 O

H 2 O được axit hoá bằng H 2 SO 4 để tăng độ dẫn điện Điện cực là Pt, dung dịch điện ly gồm H 2 O, SO 4 2- , H +.

Điều kiện tiêu chuẩn T=298 0 K, pH=0, pO 2 =pH 2 =1atm

Các cặp Redox có thể thực hiện các phản ứng điện cực sau:

/

0,00

1, 23 2,08

H H

O H O

S O SO

V V V

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

m m

V V









Tính điện áp điện phân tối thiểu Umin đặt trên hai điện cực bình điện phân?

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

*Vì điện thế điện cực (Pt)S2O82-, SO42- khá cao nên ion SO42- khó bị oxy hoá Do

đó, chỉ có phản ứng a xảy ra.

Điện áp tối thiểu cần đặt lên anod là : 2 2 1

0 / 1, 23 0,62 1,85

     

*Ớ catod chỉ có H + tham gia phản ứng

Điện áp tối thiểu cần đặt lên catod là

0

0 0,05 0,051,85 ( 0,05) 1,90

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĐIỆN PHÂN H 2 O

Nếu không có quá thế, phản ứng xảy ra ở 1,23V Còn có quá thế, phản

ứng xảy ra ở 1,9V Giá trị 1,9V còn gọi là điện thế phân hủy của nước Quá thế đã làm tổn thất năng lượng trong quá trình điện phân.

Để giảm quá thế, tác động lên 3 yếu tố:

*Kim loại làm điện cực

*pH của dung dịch điện phân (quá thế môi trường kiềm cao hơn trong

môi trường axit)

*Nhiệt độ của môi trường phản ứng (nhiệt độ tăng quá thế tăng)

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

*Ăn mòn là hiện tượng mà kim loại bị biến thành các hợp chất hoá học bền vững nhiệt động hơn như oxyt, sunfur, cacbonat) dưới tác dụng của nhiều tác nhân môi trường.

*Khi bị ăn mòn, kim loại bị hư hại, các tính chất của nó bị biến đổi nên các giá trị về sử dụng, công nghệ và thẩm mỹ không còn nữa.

*Kim loại có thể bị hư hại do ăn mòn hóa học Đó là sự ăn mòn do kim loại tác dụng với hóa chất theo cơ chế thuần túy phản ứng hóa học.

Phần lớn các kim loại bị hư hại do ăn mòn điện hóa

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĂN MÒN KIM LOẠI

Các phản ứng ăn mòn điện hoá: Trong môi trường nước, kim loại bị oxy hóa theo cơ chế phản ứng điện hóa, nghĩa là:

Kim loại nhường electron (phản ứng anod)

Các chất oxy hoá nhận electrron (phản ứng catod)

Gọi M là kim loại, M n+ là ion kim loại tương ứng Phản ứng anod xảy ra là:

Trong khi đó, phản ứng catod xảy ra có thế là:

*Trong môi trường acid, ko có oxy hòa tan

*Trong môi trường acid có oxy hòa tan

*Trong môi trường trung tính hoặc kiềm

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĂN MÒN KIM LOẠI

Ví dụ: Fe bị ăn mòn trong môi trường trung tính hoặc baz tạo hydrooxyt sắt (III), sau đó chuyển thành oxyt sắt (III).

2

1

2 2

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĂN MÒN KIM LOẠI

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

ĂN MÒN KIM LOẠI

Trong pin ăn mòn, kim loại có điện thế âm hơn thì bị

ăn mòn, kim loại có điện thế dương hơn thì được

bảo vệ.

Các kim loại có nhiều tạp chất, bề mặt không đồng nhất, bị phân chia thành các ô rất nhỏ, có giá trị điện thế khác nhau, tạo ra các vi pin và phát triển quá trình ăn mòn.

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC

BẢO VỆ KIM LOẠI

*Hợp kim hóa: chế tạo kim loại thành các hợp kim ko những tăng cường tính chất cơ học mà còn chống ăn mòn Bản chất là tạo trên bề mặt màng oxyt của hợp kim có tính chất bảo vệ ăn mòn tốt hơn

so với màng oxyt của kim loại riêng lẽ.

*Lớp phủ bảo vệ hữu cơ: Sơn phủ hữu cơ ko những cô lập môi

trường ăn mòn mà còn làm cho điện thế của anod kim loại chuyển về phía dương hơn, giảm khả năng ăn mòn.

*Lớp phủ bảo vệ vô cơ: tạo màng oxyt

4.MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐỘNG HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC